Deconvolution techniques for experimental optical imaging in medicine

Optical imaging in biomedicine is essentially determined by the light absorption and scattering interaction of microscopic and macroscopic constituents in the medium. In the near infrared range (NIR) the scattering event, with a coefficient approximately two orders of magnitude greater than absorption, plays a dominant role. The size of the detected scattered light volume is apparently larger than the original one. The purpose of this paper is to quantify these effects for fluorescent light. To this effect, the optical properties of dental composite phantoms were measured and the blurring of a point source – referred to as generalized point spread function (PSF) – was calculated by Monte Carlo simulations. We demonstrate the use of this method for scaling the concentration of fluorophores and for reconstruction of the true shape of fluorescence regions below the scattering layer of the phantom by deconvolution. The combination of these two mathematical techniques – construction of the PSF by Monte Carlo simulation (MCS) and deconvolution of the stray light picture – is of benefit for the interpretation of fluorescence and scattering images used for various medical applications.

ZusammenfassungDie optische Bildgebung in der Biomedizin wird durch die Wechselwirkung von Lichtabsorption und streuung an mikroskopischen und makroskopischen Bestandteilen im Medium bestimmt. Im nahen Infrarotbereich (NIR) spielt das Streuereignis, dessen Koeffizient etwa zwei Größenordnungen größer als der Absorptionskoeffizient ist, eine entscheidende Rolle. Das detektierte Streulichtvolumen ist offensichtlich größer als das ursprüngliche. Um diese Effekte für das Fluoreszenzlicht zu quantifizieren, wurden die optischen Eigenschaften von Dentalkomposit-Phantomen gemessen und die Verwischung einer Punktquelle – verallgemeinerte Punktspreizfunktion (PSF) genannt – mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen (MCS) berechnet. Wir demonstrieren den Gebrauch der Methode zur Skalierung der Fluorophorkonzentration und zur Rekonstruktion der tatsächlichen Form der Fluoreszenzregionen unter der Phantomstreuschicht mittels Dekonvolution. Die Möglichkeit der Kombination dieser beiden mathematischen Verfahren – Konstruktion der PSF durch MCS und Dekonvolution des Streulichtbildes – ist für die Interpretation von Fluoreszenz- und Streulichtbildern verschiedener medizinischer Anwendungen von Nutzen.